三维GIS的困境与出路38617.pdf

-.z.程序员：三维 GIS 的困境与出路宋关福 程序员：程序员点击数：5044 更新时间：2021-2-1 摘要：自 Google Earth 发布以来，三维应用系统很快得到业界青睐，但同时也有很多质疑其“花架子的声音。到底三维 GIS 有没有出路？要解决哪些问题才能走向成熟应用？作者以 Realspace GIS 的真实实践，告诉你一个成功的解决方案。自 Google Earth 发布以来，三维 GIS 得到业界广泛关注，一时间成为研究和应用的热点，各厂商纷纷推出三维可视化软件，在国内，命名为*Globe 或*Earth 的三维可视化软件就达数十个。在这种大趋势下，超图公司也开发了一个类似的三维可视化软件。基于这些形形色色的软件，各应用单位建立了大量的三维可视化应用系统，由于可视化效果比二维更加真实，也更加吸引眼球，因此三维应用系统很快得到业界的青睐。然而短短几年后，业界开场不满足于“面子工程或“花架子的三维可视化效果，并对三维 GIS 的实用性产生疑心，三维 GIS 的开展似乎陷入困境。则，三维 GIS 终究有没有出路？还要解决哪些问题才能走向成熟应用？自 Google Earth 发布以来，三维应用系统很快得到业界青睐，但同时也有很多质疑其“花架子的声音。到底三维 GIS 有没有出路？要解决哪些问题才能走向成熟应用？作者以Realspace GIS 的真实实践，告诉你一个成功的解决方案。自 Google Earth 发布以来，三维GIS 得到业界广泛关注，一时间成为研究和应用的热点，各厂商纷纷推出三维可视化软件，在国内，命名为*Globe 或*Earth 的三维可视化软件就达数十个。在这种大趋势下，超图公司也开发了一个类似的三维可视化软件。基于这些形形色色的软件，各应用单位建立了大量的三维可视化应用系统，由于可视化效果比二维更加真实，也更加吸引眼球，因此三维应用系统很快得到业界的青睐。然而短短几年后，业界开场不满足于“面子工程或“花架子的三维可视化效果，并对三维 GIS 的实用性产生疑心，三维 GIS 的开展似乎陷入困境。则，三维GIS终究有没有出路？还要解决哪些问题才能走向成熟应用？新技术光环曲线三维GIS作为一种高新技术，要理清其技术和应用开展规律不是件易事。GIS 作为 IT 的一分子，借助 IT领域常用的分析技术手段是十分有意义的。国际著名的 IT 研究与参谋咨询公司 Gartner，从1995 年开场运用光环曲线Hype Cycle来表示各项新技术开展的生命周期。在光环曲线中，以技术应用成熟度为横轴，显现度为纵轴，新技术的开展分为五个阶段，即：萌芽期、过热期、低谷期、复苏期和成熟期。主要 GIS 平台软件技术光环曲线 Gartner 定期发布主要信息技术的光环曲线，为业内相关从业者提供决策参考。Gartner 发布的 2021 年新兴技术光环曲线图中，Public Virtual Worlds如 Google Earth 等已处于低谷期。GIS 技术近年来也取得长足开展，笔者抛砖引玉，于 2021 年 9 月试着绘制了几种 GIS 技术的光环曲线。-.z.图 1Gartner 于 2021年 8 月发布的新兴技术的光环曲线 组件式 GIS、空间数据库技术、效劳式 GIS 和云 GIS 都是 GIS 结合信息技术的产物。组件式GIS 和空间数据库已经进入成熟期，经历了近十年的开展，这两种技术的热度已远不如 2000年前后，当前已被广泛应用，成为一种普通的但成熟的 GIS 技术。随着 SOA 进入复苏期，基于该思想的效劳式 GISService GIS也由于越来越多应用实践的成功，逐步进入复苏期的早期阶段，在未来十年内，基于效劳式 GIS 的应用开发将成为主流的 GIS 应用开发方式，基于效劳式 GIS 的面向地理信息共享模式也将大行其道。随着云计算概念的热炒，云 GIS 概念已经萌芽，随后也将进入概念炒作阶段。二维 GIS 和三维 GIS 则是从计算机对真实世界表达方式的角度划分的两种 GIS 技术，也处于光环曲线中相去甚远的位置。历经了四十余年的开展，二维 GIS 技术早已进入了成熟期。由于二维 GIS 的成熟应用，以至于 GIS 已经突破最初的测绘和地学的行业范畴，开展成为跨行业通用的平台软件技术，广泛应用于政府信息化和企业信息化，并越来越多地涉足面向个人的信息效劳领域。-.z.图22021年9月主要GIS 平台软件技术的光环曲线 而三维 GIS 则逐渐迈入低谷期。2005 年 6 月 Google Earth 软件推出，此后全球范围内掀起一股前所未有的三维热潮，尽管 Google Earth 主要面向个人市场和跨行业的简单的水平应用市场该领域被 Gartner 称为 Public Virtual Worlds，但在它的带动下，面向垂直行业应用开发的三维 GIS 也到达光环曲线的过热期顶点。而四年以后的今天，尽管大量三维 GIS 应用案例不断涌现，但局部应用单位开场对三维GIS的价值质疑，三维GIS的显现度有所下降，开场进入低谷期。三维 GIS 必须突破的瓶颈按照正常的光环曲线，局部新技术会经过假设干开展阶段，最终走向成熟应用；也有一些技术因为无法完善，最终被其他替代技术所淘汰，永远没有时机到达成熟应用阶段。即使未来能够成熟应用的技术，需要花多少时间从低谷期进入复苏期？又需要花多少时间从复苏期进入成熟期？这将取决于需求旺盛程度、技术完善速度和技术本钱降低的速度。与二维 GIS 相比，三维 GIS 有其独特的优势。三维 GIS 因更接近于人的视觉习惯而更加真实，同时三维能提供更多信息，能表现更多的空间关系。无论单位用户还是个人用户，都对三维有迫切的需求。假设技术完善和本钱方面能得到突破，三维GIS 必将走向成熟应用。则，当前的三维 GIS 解决哪些问题，才能突破低谷期，加快进入复苏期，并最终进入成熟应用阶段呢？笔者认为，要加快三维 GIS 应用开展，需进一步降低三维数据获取本钱和突破三维 GIS 软件技术。可承受的数据获取本钱是三维 GIS 大范围推广应用的重要前提条件之一。三维数据采集的经济代价和时间代价一度很高，但近年来随着各种三维数据采集手段的快速开展，三维数据获取本钱已经开场降低，周期也越来越短。在未来几年内，还要在保证一定的数据精细度前提下，继续降低三维数据获取本钱。GIS 软件技术是影响三维 GIS 能否大范围深度应用的另一重要因素。当前的三维软件还不能充分满足GIS 用户的需求。对 GIS 平台软件的需求可以分为从低到高的五个层次，即：数据获取/管理、可视化、查询、分析和建模。其中建模指的是分析模型，而不是三维数据模型。目前，二维GIS 已经可以满足这五个层次的需求，但三维 GIS 则仅能满足前三个层次的需求，在后两个层次方面，具备一些能力，但整体上还不能满足。从这个意义上来讲，二维 GIS 虽然没有三-.z.维那样的视觉效果，但功能齐全，是“实力派；三维可视化软件具有更佳的视觉效果，但功能尚不完整，是“偶像派。图 3 GIS 应用功能需求层次 GIS 应用开发商已经注意到这个问题，在三维 GIS 根底软件功能还不够完善的情况下，采用二维 GIS 平台和三维可视化软件相结合的方式开发应用系统，推进了三维 GIS 技术的应用深度。但是，拥有优秀可视化效果的三维软件的厂商往往缺乏强大、成熟的二维 GIS 软件，而主流的二维 GIS 平台厂商的三维软件却差强人意。应用开发商不得不整合分别来自不同厂商的二维 GIS 软件和三维软件，二者在数据模型、数据构造和系统架构上都不一致，以至于应用系统的二维和三维局部貌合神离，甚至同样的数据要在两种软件中分别存储一份，不仅增加了数据冗余，而且增加了数据更新维护的代价。从纸空间 GIS 到 Realspace GIS 单独的三维 GIS 不能满足应用要求，尽管三维 GIS 有二维 GIS 不可比拟的优势，但在相当长时间内还无法完全替代二维 GIS。此外，二维也有比三维更宏观、更抽象、更综合的优点，在局部应用中也需要忽略真实细节呈现关键信息，此时二维就可能比三维更适宜。因此，开展二三维一体化的 GIS 软件，而不是独立的三维 GIS，才是 GIS 软件未来的开展方向，也是三维 GIS技术开展的出路。这样的GIS 软件，无论称它为二维 GIS 软件或三维GIS 软件都是不全面的，我们姑且把这种二三维一体化的 GIS 技术称之为 Realspace GIS。-.z.图4三维GIS技术开展的出路 Realspace GIS 是相对于 Paper Space纸空间GIS 而言的。所谓纸空间指投影以后的纸图坐标空间。相应地，纸空间 GIS，指的是以投影后的纸图坐标空间为根底的 GIS 软件。地球不是平面的，在 GIS 出现之前，要在纸图上表达地图，就必须把球面或椭球面投影到平面上，因此纸图都采用了投影后的坐标空间。早期的地理信息数据来源于纸图数字化，因而二维GIS 软件一开场就设计为基于纸图空间的，这个根底一直保持至今。由于投影之后的地图存在变形，影响地图上的各种量算的结果，地图学家们针对不同的应用开展了多种多样的投影，这些投影无疑增加了集成各种数据的难度，也增加了 GIS 软件的复杂程度。尽管 GIS 已经开展为 IT 中一种通用的技术，但不少非地学或测绘出身的使用者，对 GIS 软件中的投影感到十分困惑和难以掌握，投影的复杂性也一度影响了 GIS 在 IT 中的推广应用。纸空间 GIS 是为兼容纸图而设计的，而今大量的数据采集已经不是来自纸图数字化了，然而十分遗憾的是，开展了四十多年的 GIS 软件仍然在延续着纸空间的习惯。既然新产生的地理信息数据多数不再来源于纸图数字化，既然计算机软件的表达方式已经远远超越纸图的表达能力，则二维GIS 为何还要继续局限于纸空间的呢？所谓 Realspace 是指三维地理空间和基于地理球面或椭球面的二维地图空间。Realspace GIS 指的是以三维地理空间和基于地理球面或椭球面二维地图空间为根底的 GIS。Realspace GIS 有以下几个特点：1Realspace GIS 不仅仅是三维的，而是二三维一体化的。Realspace GIS 二三维一体化表达在：a 二维与三维在数据模型和数据构造上保持一致，所有的二维数据无须任何转换处理，可直接高性能地在三维场景中可视化。保证二三维场景的数据同步，不仅需要三维 GIS 兼容二维的数据构造，同时在 GIS 根底软件研发时，二维 GIS 软件底层数据构造也要做适当的调整以实现海量二维数据在三维场景中的高性能可视化。b 所有的二维 GIS 分析和处理功能，均可以在三维场景中直接操作和使用。2Realspace GIS 还要对已有的二维 GIS 进展必要的改造，而不仅仅是实现二维与三维软件的对接。如 Realspace GIS 可支持三维量算，也同时支持用于多种目的的更精准的二维 GIS-.z.量算，如无须投影变换，同时精准量算距离、面积和方位角度；当 GIS 应用不涉及图纸输出时，复杂的投影不再重要，也不再是必须的。3Realspace GIS 支持用关系数据库一体化存储二维与三维数据，即空间数据库的一体化。4Realspace GIS 还应该提供逐步完善的高端三维分析功能。如三维体对象的布尔运算、三维的拓扑处理、三维空间关系查询、三维缓冲体分析、三维网络分析等等。5未来的 Realspace GIS 还应实现地下、地表和地球上空大气层的三维一体化。6Realspace GIS 基于 Realspace，但要兼容纸空间。而此前的纸空间 GIS 是以纸空间为根底，以三维可视化作补充，本末倒置，不利于进一步开展。另外，关于 Realspace GIS 还要防止几个误区：1“Realspace GIS 是一个单独的产品。Realspace GIS 不是单独的产品，而是一个技术体系，是一种在桌面 GIS、组件式 GIS 和效劳式 GIS 等多种产品形态中都存在的技术体系，设计成独立的产品是不适宜的。2“Realspace GIS 的空间是绝对真实的空间。Realspace GIS 中的 Realspace 是相对的，并非绝对真实的空间，无论是基于球还是椭球，都是接近于真实空间的一种模拟空间，但比纸空间更接近于真实的空间。3“Realspace GIS 一诞生便可解决所有问题。Realspace GIS 技术的开展和完善还需要几年时间，但仍然不宜一开场就对 Realspace GIS 抱有完美表现的过度期望，否则很容易跌入Realspace GIS 的低谷期。早期的 Realspace GIS 产品或许在可视化效果方面不能立即赶上现有的虚拟现实软件或三维软件，三维分析功能也不完备，但由于拥有 Realspace GIS 的技术架构，可实现三维 GIS 面向管理效劳的深入应用。Realspace GIS 可促进突破当前三维仅仅满足于以可视化为主的浅层应用需求的困境，实现三维 GIS 技术的深度广泛应用，推动三维GIS 技术快速进入光环曲线复苏期，并最终走向成熟。超图的 Realspace GIS 实践 2006 年，超图启动了新一代具有自主创新内核的、与二维一体化的、面向管理的三维 GIS 平台软件研发，并方案将该技术集成到 SuperMap GIS 6R 中发布。在规划产品时，我们认为不应该研发独立的三维软件，三维技术应该是一种与二维一体化的技术，在效劳式 GIS、组件式 GIS 和桌面 GIS 等多种 GIS 软件形态中都存在，只有这样才能实现“实力派与“偶像派的真正统一，才能满足二维与三维一体化的应用需求。这样一体化的软件称其为二维 GIS 或三维 GIS都是不全面的，于是针对纸空间提出了 Realspace，进而提出 Realspace GIS 技术的命名。也就是 SuperMap GIS 6R 中的“R。SuperMap GIS 6R 将二三维有机地结合起来，实现二维与三维数据管理的一体化，解决了以往两套系统、两套数据的缺陷，降低了系统的本钱和复杂度；采用同样的符号库、填充库、线型库，实现了符号的一体化，降低了符号管理的复杂度；采用同一套编辑体系，实现了联动编辑和编辑的一体化；采用统一的空间查询和分析模块，实现查询和分析的一体化，除提供了通视分析、淹没分析、三维量算等三维分析方法外，还在三维场景中直接集成二维分析功能，如缓冲区分析、叠加分析、网络分析和专题图分析等；采用统一的工作空间、图层、图例管理、专题图构建方式，实现表现方式的一体化。SuperMap GIS 6R 的 Realspace GIS 技术已经在局部工程中得到应用实践。由国土资源部第二次全国土地调查办负责组织实施、由中天博地科技*基于 SuperMap GIS 和大型关系数据-.z.库建成的全国“一*图本地数据库中，空间数据到达 45TB，其二维版系统于 2021 年 1 月通过专家验收。在后续三维版本应用系统开发试验时，无须重新处理原有建成的 45TB 海量二维空间数据库，直接将基于 SuperMap SD*+空间数据库技术管理的海量影像和矢量数据在三维场景中可视化。假设没有二三维一体化技术，在已建成二维空间数据库后还要经过处理重新制作一份用于三维可视化的二维数据，需要多占用庞大的冗余存储空间和几个月的数据处理时间，不可能在短时间内完成开发工作。除此以外，Realspace 还在房产管理和应急指挥等领域建立了应用案例。这些应用案例仅表达了 Realspace GIS 的一局部价值，随着SuperMap GIS 6R 的发布和应用推广，更多的应用价值会逐步表达出来。SuperMap GIS 三大技术体系自此，SuperMap 建成了 GIS 平台软件的三大技术体系，并将三大技术体系溶入全新的 GIS 平台软件产品系列SuperMap GIS 6R。图 5 SuperMap GIS三大技术体系 二维与三维一体化的 Realspace GIS 技术体系：保证二维与三维 GIS 技术的无缝融合，包括：二维与三维在数据模型、数据存储方案、数据管理、可视化和分析功能的一体化，提供海量二维数据直接在三维场景中的高性能可视化、二维分析功能在三维场景中的直接操作和越来越丰富的三维分析功能。面向效劳的 Service GIS 技术体系：是一种面向效劳体系架构SOA的 GIS 技术体系，它以标准的 Web Service 接口提供 GIS 的全部功能，并以效劳聚合专利技术实现多级嵌套效劳聚合。Service GIS 方便构建基于 SOA 思想的应用系统，创新了面向效劳的地理信息共享应用模式，不仅可实现异构 GIS 平台之间的数据共享，还可实现 GIS 功能共享。高性能跨平台的 Universal GIS 技术体系：是一种高性能、跨操作系统的 GIS 技术架构体系。基于标准 C+完全重构了 GIS 的功能内核开发 GIS 系列平台软件，支持在 Uni*、Linu*和Windows 等多种操作系统上高性能运行，基于该技术体系的 Service GIS 和 Web GIS 平台支持 IBM、HP 等高端 Uni*/Linu*效劳器，为高端用户和大规模计算用户提供专享的 GIS 平台支撑。结语总的来说，Realspace GIS 是解决三维 GIS 技术无法满足深度应用的瓶颈之道。-.z.随着该软件技术的日趋成熟，以及三维数据采集本钱不断下降，三维 GIS 技术将在未来 23年内进入复苏期，最终开展为可成熟应用的技术，届时，三维 GIS 概念将不再炙手可热。另外，可以预见，接下来云计算将在 GIS 业界快速升温，进入热炒阶段。